基于CORS站网的三峡库区负荷形变与重力场时空变化监测

1、基于CORS站网的三峡库区环境负荷形变与重力场时空变化监测 国家自然科学基金资助项目（41374081）作者：章传银，男，出生于1968年12月，研究员，博导，主要从事大地测量与地球重力场研究，zhangchy章传银 王伟 甘卫军 李辉 张庆涛中国测绘科学研究院，100830，北京中国地震局地质研究所，北京中国地震局地震研究所，武汉国家测绘地理信息局第一大地测量队，西安摘要：受地球动力学因素特别是地球表层大气、地表水及地下水动力环境影响，地面站点位置、地球重力场及大地水准面随时间变化。本文以三峡地区CORS站网为主，少量重力台站为辅，采用负荷形变与地球重力场严密组合方法，综合确定了2011年1

2、月至2015年6月三峡地区环境负荷驱动的地壳形变与重力场月变化，结果显示：CORS站网具备地壳垂直形变、大地水准面及地面重力变化监测能力；三峡地区地壳垂直形变年变化幅度36.1mm，大地水准面年变化幅度28.2mm，地面重力年变化幅度117.4Gal；CORS站网地面重力变化监测精度水平不低于流动重力场重复测量；CORS站网地壳垂直形变与地面重力变化监测具有一定的外推预报能力。关键词：GNSS CORS站；环境负荷形变；区域重力场变化一、引言时变地球重力场包含地球系统密度分布及物质运动的丰富信息，直接反映了地球各圈层最基本的物质及其变化特性，是地球环境变化导致地球形变最基本、最直接和最重要的物

3、理量之一（许厚泽，2010）。受引潮天体、海平面及大气变化、地表及地下水变化（包括冰川雪山、江河湖库、土壤水和地下水等变化，也称大陆水变化）、核幔耦合及内核动力作用等地球动力学因素影响，地面站点位置、地球重力场及大地水准面随时间变化。为方便高精度大地测量数据处理及定量分析，通常将地球重力场随时间变化分成两个部分：一部分是按大地测量参考系统约定的动力学模型，计算的固体潮、海潮负荷及大气潮负荷的影响，称为潮汐影响；另一部分是扣除潮汐影响后的残差重力场时变，称为地球重力场形变。由于潮汐影响能随时随地从大地测量观测量和参数中予以移去或恢复，因此，时变地球重力场监测和研究的重点通常是地球重力场形变（党亚

4、民等，2015）。在大地测量基准维持涉及的数年到十年时间内，由非潮汐海平面变化、大陆水变化和非潮汐大气负荷变化等构成地球表层环境负荷变化，对重力场变化及地壳非构造垂直形变的贡献占其时变量的97%以上。正因为如此，卫星重力场时变监测也极大地推动了地球水循环与海洋、大气、水资源环境及相关地球科学的发展。本文以三峡地区CORS站网非潮汐垂直形变为主，少量重力台站非潮汐重力变化为辅，综合确定三峡地区环境负荷驱动的地壳形变与重力场时空变化。二、监测原理与方法地球表层环境负荷变化可用等效水高变化（或面密度变化）表示。这里的等效水高变化通常是指某一时刻等效水高相对于参考时刻等效水高的差值，或相对于某一段时间

5、等效水高平均值之差。等效水高变化有时也称为等效水高异常。地面等效水高变化hw,的规格化负荷球谐展开式为：hw(,)=Rn=1Nm=0nCnmqcosm+SnmqsinmPnmsin 由地球负荷形变和地球重力场理论，地面等效水高变化引起的大地水准面变化为：N(,)=3weGMRn=2N1+kn2n+1m=0nCnmqcosm+SnmqsinmPnmsin 引起的地面重力变化为：gt(,)=-3weGMR2n=1Nn+2hn-n+1kn2n+1m=0nCnmqcosm+SnmqsinmPnmsin 引起的地面站点大地高变化（负荷垂直形变）为：r(,)=3weGMRn=1Nhn2n+1m=0nCnm

6、qcosm+SnmqsinmPnmcos 式中，Cnmq,Snmq为n阶m次规格化负荷球谐系数；Pnm为n阶m次规格化连带勒让德函数；(,)为地面点的地心纬度和经度；kn为n阶位负荷（勒夫）数；hn为n阶径向负荷数；w103kg/m3为水的密度；e5.5103kg/m3为固体地球平均密度；G为万有引力常数；M为地球总质量；R为地球平均半径；为地面平均重力。地面等效水高变化引起的地面站点位置或地面重力场参数变化,还可采用负荷格林函数积分方法表示为如下通用形式：,=GwShw,LGdS 式中，,为地面积分流动点；,为地面计算点；L为流动点到计算点的空间距离；为球面角距；S为地球表面；G为通用的负荷

7、格林函数，当为地面重力变化时，取重力格林函数：Gg=-Mn=1n-n+1kn+2hnPn 式中，Pn为n阶勒让德函数。当为地面大地高变化（即径向变化）时，取径向格林函数：Gr=RMn=1hnPncos 同理，可列出环境负荷变化引起的垂线偏差、负荷水平形变、地面扰动重力变化球谐展开式和负荷格林函数式。由式不难看出，通过构建以卫星重力、卫星测高或各种地面大地测量变化量为观测量，以负荷等效水高或其球谐系数为待估参数的观测方程，采用适当的参数估计算法，可反演地壳负荷形变及地面重力场变化。将代入式，可将CORS站,大地高变化表示为：r,=GwShw,LGrdS+ 式中：为构造垂直形变与地下水均衡垂直形变

8、。三峡地区构造垂直形变很小，一年的地下水变化基本处于平衡状态，地下水均衡效应很不明显，本文将作为随机噪声处理（这种处理方式不适合活动构造边缘、地下水趋势性变化明显的CORS站）。同理，可将重力台站的重力变化表示为gt,=GwShw,LGgdS+ 三、数据处理与综合反演采用的数据资源及预处理三峡地区26座CORS站非潮汐大地高变化。CORS网解算时的地球动力学改正采用IERS2010协议，移去了固体潮、海潮负荷、周日和半日大气潮负荷影响。以2010年11月平均值为基准，生成2011年1月至2015年6月CORS站大地高月变化三峡地区8座重力台站非潮汐重力变化。重力台站都配置便携式潮汐重力仪，连续

9、观测时间跨度13年。采用IERS2010协议，移去了固体潮和海潮负荷影响，忽略周日和半日大气潮负荷影响。以2010年11月平均值为基准，生成重力台站非潮汐重力变化。从2011年1月至2015年6月期间，约1/3月份至少有1个重力台站的非潮汐重力变化时序数据。CORS站与重力台站点位分布如图1.图1三峡地区CORS站与重力台站点位分布图三峡地区江河湖库水月变化。采用多时相资源三号高分辨率卫星影像和江河湖库水位实测数据，计算每月江河湖库水等效水高变化。三峡地区大气压月变化。从77个气象站中国地面气候资料日值数据集中生成三峡地区2011年1月至2015年6月大气压月变化格网模型。全球大气与土壤水模型

10、。全球大气压月变化数据采用美国国家海洋和大气管理局气象预报中心的全球气候预测模型（CPC水文模式），全球土壤水等效水高月变化采用美国宇航局哥达航空中心和美国国家环境预报中心的全球大陆地表水模型（GLDAS）。数据处理方案将每月作为独立计算单元，以CORS站非潮汐大地高月变化为观测量，由式组成CORS站观测方程；以重力台站非潮汐重力变化为观测量，由式组成重力台站观测方程。不同月份站点数量及观测量类型与实际数据有关，不完全一致，约2/3月份只有CORS站非潮汐大地高变化观测量。实际计算中从观测量中分别移去模型全球土壤水负荷影响、全球模型及区域残差大气负荷影响、区域江河湖库水负荷影响，组成残差观测量

11、方程，联合解算残差等效水高格网。全球大气负荷和土壤水负荷影响采用球谐分析方法，由球谐系数分别按和式计算；区域残差大气负荷和江河湖库水负荷影响采用式计算，积分半径不大于2.5。环境总负荷形变及重力场变化等于残差负荷影响、江河湖库水负荷影响、残差大气负荷影响，以及模型全球大气负荷影响、模型土壤水负荷影响的综合。空间分辨率为22，时间分辨率1月，时间跨度2011年1月至2015年6月。统计结果如表1，部分结果如图25。为突出地面重力变化的空间分布结构，图中将大于40Gal的色彩直接用40Gal表示，将小于-60Gal用-60Gal表示，将大于10ms用10ms表示。图2环境负荷变化引起的地壳垂直形变

12、图3环境负荷变化引起的大地水准面变化图4环境负荷变化引起的地面重力变化图5环境负荷变化引起的地面垂线偏差变化表1 CORS站网监测的环境负荷形变及重力场时空变化统计大地测量变化类型2011年1月至2014年12月2015年1月至2015年6月年变化幅度*最大最小均值标准差最大最小均值标准差地壳垂直形变mm30.7-21.83.65.518.7-19.65.05.336.1大地水准面变化mm8.2-25.2-4.94.95.8-17.0-6.34.128.2地面重力变化Gal241.4-398.82.911.7219.9-359.33.312.2117.4地壳水平形变mm2.50.00.90.4

13、1.80.00.70.31.8垂线偏差变化ms111.50.02.71.999.40.02.52.19.0*长周期占优的信号，不宜用标准差表示其统计性质，这里用年变化幅度（最大最小值之差）来表示年周期占优信号的典型特征。例如，某地面站点大地高年变化幅度3cm意味著，该站点上半年的大地高和下半年大地高有机会相差3cm。四、对比分析与结论与德国GFZ卫星重力产品对比情况检核数据来源：德国波茨坦地学中心（GFZ）GRACE负荷形变及重力场月变化产品，该产品不含大气负荷影响，为大陆水负荷影响。检核方法：将CORS站网监测成果与GRACE产品（加上大气负荷影响）逐月进行对比，时间跨度2011年1月至20

14、14年12月，共42个月。成果类型CORS站网监测成果GRACE产品（GFZ）最大最小均值标准差年变化幅度最大最小均值标准差年变化幅度地壳垂直形变mm26.6-19.81.05.736.141.8-29.53.47.842.7大地水准面变化mm8.2-25.2-4.94.928.210.6-17.6-3.54.726.3地面重力变化Gal241.4-398.82.911.7117.494.8-112.61.019.2124.7对比结果：对比CORS站网监测统计结果与GRACE产品统计结果，可以看出，CORS站网具备地壳垂直形变、大地水准面及地面重力变化监测能力。CORS站网监测统计结果显示，三

15、峡地区地壳垂直形变年变化幅度36.1mm，大地水准面年变化幅度28.2mm，地面重力年变化幅度117.4Gal。与流动GNSS网复测成果对比情况检核数据来源：中国地壳运动观测网络流动GNSS网重复测量成果，该成果由中国地震局地质研究所提供。检核方法：从CORS网22地壳形变与重力场时空变化监测成果中，内插与流动GNSS网点位和时间一一对应的大地高变化，并与流动GNSS网大地高变化相减。大地高变化的时间跨度CORS站网监测成果提取的大地高变化mm中国地壳运动网络GNSS网复测的大地高变化mm大地高变化的互差mm最大最小平均标准差最大最小平均标准差最大最小平均标准差201304减去20110315

16、.90.54.62.629.5-19.45.88.110.5-4.7-0.02.5201305减去20110315.4-3.23.13.628.3-7.67.98.47.1-14.2-1.33.7201304减去20110511.6-14.30.14.09.9-17.5-0.725.510.3-17.90.15.4201305减去2011059.1-17.2-1.34.411.6-21.60.296.05.7-10.90.62.3对比结果：比较CORS站网监测的大地高变化标准差和流动GNSS网复测的大地高变化标准差，可以看出，用CORS站网监测成果内插三峡地区任意地面点的大地高变化，与GNSS

17、重复实测的大地高变化相比，监测精度有所提高。与流动重力网复测成果对比情况检核数据来源：中国地壳运动观测网络流动重力网重复测量成果，该成果由中国地震局地震研究所提供。检核方法：从CORS网22地壳形变与重力场时空变化监测成果中，内插与流动重力网点位和时间一一对应的重力变化，并与流动重力网重力变化相减。地面重力变化时间跨度CORS站网监测成果提取的地面重力变化Gal中国地壳运动网络重力网复测的重力变化Gal地面重力变化的互差Gal最大最小平均标准差最大最小平均标准差最大最小平均标准差201309减去20120571.7-44.8-2.27.173.0-33.7-2.831.347.7-44.9-9

18、.88.8201409减去201211119.9-146.15.114.0254.7-58.713.860.150.6-68.416.719.6201309减去201304151.1-23.14.814.1138.8-30.16.432.334.8-47.5-38.79.0201504减去201309124.4-57.4-0.010.643.3-19.41.312.635.7-10.90.62.3对比结果：对比CORS站网地面重力变化监测统计结果与流动重力网复测重力变化统计结果，可以看出，区域CORS站网具备较高水平的地面重力变化监测能力。比较CORS站网监测的重力变化标准差和流动重力网复测的

19、重力变化标准差，可以看出，用CORS站网监测成果内插三峡地区任意地面点的重力变化，与重力网重复实测的重力变化相比，监测精度有所提高。用实测成果检核其外推预报能力检核数据来源：国家测绘地理信息局第一大地测量队（国测一大队）2015年实测的三峡库区3个GNSS重力并置站点，2组2015年8月、10月相对于4月的地面大地高变化与地面重力变化数据。检核方法：由2011年1月至2015年6月22地壳及重力场时空变化监测成果，外推（预报）GNSS重力并置站点处2015年8月、10月相对于4月的地面大地高变化与重力变化，与国测一大队实测结果对比。点名国测一大队实测大地高变化mmCORS网监测成果外推大地高变

20、化mm大地高变化互差mm201508减去201504201510减去201504201508减去201504201510减去201504201508减去201504201510减去201504CQKX0.7-10.2-3.9-3.94.6-6.3CQWL1.3-8.2-0.6-7.41.9-0.8HBYC-1.12.32.50.0-3.62.3点名国测一大队实测地面重力变化GalCORS网监测成果外推地面重力变化Gal重力变化互差Gal201508减去201504201510减去201504201508减去201504201510减去201504201508减去201504201510减去20

21、1504CQKX12.1-12.82.1-2.510.110.3CQWL-5.2-10.52.8-0.0-8.0-10.5HBYC1.06.4-0.0-3.61.010.0对比结果：CORS站网地壳垂直形变与地面重力变化监测成果，具有一定的外推预报能力。参考文献1Blewitt G., 2003, Self-consistency in reference frames, geocenter definition, and surface loading of the solid Earth. J. Geophys. Res., 108(B2)2Blewitt, G., Clarke P.,

22、2003, Inversion of Earths changing shape to weigh sea level in static equilibrium with surface mass redistribution. J. Geophys. Res., 108(B6), 23113Farrell W., 1972, Deformation of the Earth by surface loads. Rev. Geophys. Space Phys., 10(3): 7617974Jin S., Chambers D. P., Tapley B. D., 2010, Hydrological and oceanic